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    從白熾燈到LED,電子技術推動照明產業進入嶄新階段

    2013/12/12 16:23:56      點擊:

            與現代電子產業不同,照明是一個十分古老而又傳統的行業。大約1萬5年前,法國Lascaux巖洞中出現了利用動物油脂燃燒照明的方法,標志著人類開始有意識的照明。而在1879年美國發明家托馬斯•愛迪生發明真空白熾燈后,人類社會正式進入電氣照明時代。


            時至今日,照明方案已經非常多元化。中國照明行業的發展根據照明方案出現的時間大體可以分為四個階段,第一階段為最早出現的真空或惰性氣體保護的金屬高溫輻射發光照明,以白熾燈為代表;第二階段為低壓氣體放電照明,如熒光燈,霓虹燈等;第三階段為高強度氣體放電照明,如高壓汞燈,高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等;第四階段為半導體固體照明,如LED和OLED等。


            白熾燈歷經輝煌,最終由于光效無法提高,被各國列入計劃逐漸淘汰。低壓氣體放電和高強度氣體放電方案由于光效不斷提高或具有顯色性好、單位流明成本低等優勢成為近幾年照明的主流。而LED和OLED固體照明方案的出現又將人類的照明水平提升至一個新的階段。照明方案不斷發展演變的過程就是人們不斷提高光效率、改善顯色性、提高使用壽命的過程,也是人類不斷創新和挑戰極限的過程。


           20世紀80年代末期以前,我國的照明燈具需求基本處于白熾燈階段。隨著電子元器件產業發展,從20世紀90年代初期開始,對照明燈具外觀造型與光源顏色多樣化,以及節能意識增強,具有更高光效和光色的低壓氣體放電等(如熒光燈和節能燈)在家庭和公共場所廣為應用,而高強度氣體放電燈(高壓汞燈、高壓鈉燈等)由于光效高、功率大等特點在室外(路燈,廣場照明)得以普及。21世紀初,隨著半導體技術發展,人們對環境保護意識增強,新型光源,節能、長壽命、無污染的LED照明漸漸成為一種趨勢。


    電子技術推動幾代照明方案進步


    第一代白熾燈采用工頻電源供電,不需要驅動電路,因此對電子元件的依賴性較弱。低壓氣體放電燈、高強度氣體放電燈及LED發光方案均需要驅動電路提供電源管理,因此對驅動IC及電子元件非常依賴。而不同的驅動方式也嚴重影響各種照明方案的使用效果。


    對于典型的低壓氣體放電燈如熒光燈,傳統的驅動方式采用電感整流器,存在明顯頻閃、功率系數低等問題;在采用電子鎮流器的驅動方式后,不僅徹底的消除頻閃,而且大幅度提高功率系數、延長燈管使用壽命并提高燈管的光效,同時還可以方便光通量調節,鎮流器自身的能耗降低50%以上。


    在此過程中,微芯、恩智浦等許多IC廠家提供的諸如IRS2530D、UBA2014等驅動IC起到重要的作用。這些驅動IC促進著傳統的熒光燈的進步。近些年,熒光燈的光效和壽命不斷提高,例如飛利浦T5熒光燈結合驅動電路,已經能夠達到103Lm/W的光效,壽命達到1.5萬小時,加之熒光燈好的顯色性和低成本,這些進步大大提高熒光燈的競爭力,延長了熒光燈生命周期。當然分離器件也扮演者重要的角色,如延時啟動PTC有效的提高了熒光燈管的使用壽命,而高分子PTC也常用在電子整流器電路中防止燈管去激活時整流器被燒毀。


    高強度氣體放電燈如高壓鈉燈和金鹵燈具有高的點火電壓(4~5KV)和負電阻特性,因此需要適當的電源管理方案才能正常工作,傳統的電感整流器不能滿足使用要求。如國際整流器公司和飛利浦半導體等公司提供的IRS2453D好、UAB2032等IC就是比較好的驅動模塊。


    LED是一種新型非線伏安特性元件,對驅動電路要求較高。通常在電路設計過程中要考慮恒流輸出電路、發熱散熱平衡、驅動電路的功率因數、效率、電路的過流和浪涌及靜電過壓防護等要求。由于電壓波動會導致流經LED的電流快速變化,而光通量與電流接近成正比,電流不穩定將直接影響發光亮度的穩定性,因此LED通常需要恒流驅動。


    LED節溫與發光效率和溫度密切相關,由于電能轉化效率偏低(在20%左右),因此容易產生節溫偏高的問題。在節溫偏高或環境溫度偏高時,驅動或保護電路最好能夠有補償措施減少流過LED的電流,以降低發熱功率,保證LED壽命。同樣浪涌或靜電放電均會破壞LED,使LED光強發生變化或直接報廢。


    廣大IC制造商,如意法、美安森、恩智浦、國家半導體、德州儀器和ST微電子等都推出自己的LED驅動IC,讓LED驅動電路的設計有了更大的選擇余地。這些公司的介入使LED的潛能得以充分發揮,并把固體照明快速推向市場前沿。


    未來照明發展離不開電子產業支持


    完全靠高溫輻射發光的第一代照明光源已經沒落,無法改變被淘汰的命運。而低壓氣體放電照明正向小管徑/高驅動電壓的方向發展,這即可節約材料降低成本,同時還可以提高光效。同時由于發光材料及驅動IC的不斷改進,使得這類光源的光效不斷提高,T5等的綜合光效已可達到100Lm/W以上,加之顯色性好、成本低的特點,3~5年內在室內照明等領域仍然有很強的生命力。


    高強度氣體放電照明光源也不斷推陳出新,如高壓鈉燈和金鹵燈已開始替代鹵素燈。這類光源具有功率大,色溫高(在雨霧天氣穿透性強),光效高的特點(可到120Lm/W以上),配合驅動IC后壽命可達1萬小時以上,因此在廣場照明/汽車大燈等領域有競爭優勢。


    固體照明光源理論上具有節能/壽命長/無污染/耐震動等優點,但目前白光LED的光效并不突出(一般在80~100Lm/W),電能利用率也不高(轉化率在20%左右),驅動電路復雜/功耗偏高,單位流明成本過高等缺點,因此要想大范圍推廣還要時間。但我們已經看到,在所有照明光源的發展進程中,LED的光效及壽命的提高速度是最快的,預計在接下來的幾年中商用白光LED的光效可達到150Lm/W或更高,成為光效最高,壽命最長的光源之一。


    要充分發揮LED的潛能,燈具和驅動電路是必不可少的兩個支撐,而IC的設計將成為驅動電路的核心。LED作為一種新型光源,節能、長壽命、無污染將成為未來照明產業的發展趨勢,半導體/電子元器件產業的發展將直接帶動LED芯片、驅動電源及線路保護器件等產品與技術的發展。


    實用的電路溫度保護方案


    在低壓氣體放電照明中,PTC熱敏電阻元件常被用在熒光燈電子整流器中,保證燈管去激活時整流器不會損壞。在高壓氣體放電照明電路中,PTC常用于電源模塊,防止過載或過熱時電源模塊損壞。對于固體發光LED來說,溫度是影響LED使用壽命的關鍵要素。


    當LED采用恒壓驅動模式時容易產生電流過大或環境溫度過高使LED節溫高于設計溫度的問題,在這樣的設計中串聯PPTC熱敏電阻可以起到限制電流的作用。當LED中的電流過大或溫度過高時,PPTC電阻可以限制電流的增加并降低LED節溫,提高LED的使用壽命,這是非常實用和廉價的方案。


    科特公司是電路保護元器件及電路保護方案的供應商,產品可劃分為過流防護和過壓防護元件兩個方向。目前科特主要提供過流/過溫保護PTC熱敏電阻和PESD靜電抑制器,另外PESD靜電抑制器也可以與LED并聯,保護LED不受脈沖電流的損害。未來,科特公司將開發更多系列溫度敏感元件,可幫助熒光燈和LED等照明電路更精準的根據工作溫度調整輸出功率或提供電路保護功能,以延長光源的使用壽命,避免提前損壞。

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